Experimentos con nitrato de amonio - nakka- · PDF fileexperimentos incluyen el desarrollo de...

EXPERIMENTOS CON NITRATO DE AMONIO

FÓRMULAS DE PROPELENTES BASADOS EN ALUMINIO

Texto original de Richard Nakka traducido de http://www.nakka-rocketry.net/anexp.html por los miembros de Cosmic Research.

http://www.nakka-rocketry.net/anexp.html

http://www.nakka-rocketry.net/anexp.html

Experimentos con nitrato de amonio. Fórmulas de propelentes basados en aluminio

Richard Nakka

1

Contenido

1. Introducción ........................................................................................................................................................................... 2

2. Comprender el comportamiento químico del nitrato de amonio ............................................. 3

3. Seguridad del nitrato de amonio como oxidante de propelente .............................................. 9

4. Fórmulas experimentales de nitrato de amonio y aluminio ........................................................ 12

4. Preparación de pastillas experimentales ................................................................................................... 18

5. Pruebas estáticas ........................................................................................................................................................... 20

Pruebas estáticas Nov 2008 ................................................................................................................................. 25

6. Caracterizando el combustible A24 ............................................................................................................... 27

7. Motor J ANCP ................................................................................................................................................................... 29

Referencias .............................................................................................................................................................................. 30


Richard Nakka

2

1. Introducción

Esta página web describe una serie de experimentos en curso que se han realizado

en los últimos cinco años con el objetivo de desarrollar un combustible para cohetes

amateurs a base de nitrato de amonio (AN) como oxidante. Los objetivos de estos

experimentos incluyen el desarrollo de un combustible relativamente simple, seguro de

fabricar y manejar, de bajo costo y todo a base de materiales que son relativamente fáciles

de obtener. En otras palabras, un combustible considerado de alto rendimiento y óptimo

para el uso en cohetería amateur. Con respecto al rendimiento, se ha establecido un

objetivo de alcanzar un impulso específico de 200 segundos.

El nitrato de amonio tiene una serie de cualidades que lo hacen particularmente

atractivo para su uso como oxidante en combustibles usados en cohetería. Es fácilmente

adquirible, a la vez que barato, dado que cuenta con un consumo anual mundial promedio

de unos 20 millones de toneladas, siendo empleado principalmente como fertilizante

agrícola [1]. Es químicamente estable a temperatura ambiente [2], no se quema por sí

mismo, y tiene muy baja sensibilidad a la fricción y a los choques [3]. La temperatura de

descomposición es bastante alta (200 °C.). Su fórmula química es NH4NO3, no contiene

iones metálicos y se descompone cuando se calienta, formando únicamente productos

gaseosos. Esto contribuye a que los productos de combustión tengan bajo peso

molecular, lo que es deseable, y no sufre inherentemente de pérdidas por flujo en dos

fases (partículas condensada). Estos factores proporcionan un gran potencial al nitrato

amónico, dado que el impulso específico de combustibles a base de este oxidante puede

llegar a ser excelente.

El nitrato de amonio tiene un par de inconvenientes. Uno de ellos está relacionado

con los cambios en la fase cristalina al darse un cambio de temperatura, dado que este

puede tener hasta cinco cambios de fase distintos. Uno de los cambios de fase se produce

a 32 °C, lo que conlleva un aumento de volumen considerable de aproximadamente un

4%. Dado que esta temperatura está en el rango que puede ser experimentado durante

el almacenamiento, esto debe ser tomado en consideración en la fabricación y

almacenamiento del combustible. La exposición a ciclos repetidos de cambio de fase

podría ser potencialmente perjudicial para la integridad estructural de un grain de

combustible, dependiendo de varios factores que se analizan más adelante en este

artículo. Un segundo inconveniente es la naturaleza higroscópica del nitrato de amonio.

Sin embargo, como el umbral de humedad es de alrededor un 70% a temperatura


Richard Nakka

3

ambiente (similar a ciertos combustibles de azúcar tales como KNSB, sorbitol y nitrato

potásico), esto no es necesariamente un inconveniente grave.

2. Comprender el comportamiento químico del nitrato de amonio

Uno de los primeros pasos dados para desarrollar un combustible para cohetes

práctico y seguro era estudiar los informes técnicos relativos al comportamiento químico

y degradación del nitrato amónico. Varias docenas de dichos informes fueron estudiados

y se aprendió mucho en el proceso, lo que ayudó en la comprensión de este común, a la

par que atractivo material.

Entender de química, en particular de aquella relacionada con los procesos de

descomposición del nitrato amónico puro, así como la del catalizado es vital por parte del

experimentador. No sólo por la necesidad evidente de mantener un estándar de

seguridad, sino también para permitir un enfoque más racional con el que hacer frente a

los retos asociados con el trabajo del desarrollo de este combustible.

El uso más común del nitrato amónico es como fertilizante agrícola. La designación

agrícola es 35-0-0, que se refieren a la cantidad de nitrógeno, fósforo y potasio (conocido

como NPK) contenida en el producto. Por ejemplo 8-8-8 significa que un fertilizante

contiene 8% de nitrógeno elemental (N), 8% de fósforo elemental (P), 8% de potasio

elemental (K) en peso. El nitrato amónico tiene cero por ciento de ambos fósforo y potasio,

y 35% de nitrógeno. Este último valor se puede reproducir fácilmente conociendo la masa

atómica de nitrógeno elemental contenida en el nitrato amónico:

Peso molecular NH4NO3 = 14 + 4 (1) + 14 + 3 (16) = 80 g / mol

Ratio de N en NH4NO3 es = 2 (14)/80 = 0,35

En condiciones ambientales, el nitrato amónico es químicamente estable y puede ser

almacenado en grandes cantidades sin temor de auto ignición o combustión espontánea

[7]. El nitrato amónico por sí mismo no arde.

El nitrato amónico es extremadamente soluble en agua, propiedad que aumenta de

forma exponencial con la temperatura. Cuando se disuelve en agua, cierta energía en

forma de calor es absorbida a razón de 79 cal/gramo a temperatura ambiente. Esta

propiedad es aprovechada por los "paquetes de frío instantáneo" que se venden en las

farmacias para aliviar el dolor de las lesiones en tejidos blandos.


Richard Nakka

4

Un desafío importante que hay que superar en la utilización de nitrato amónico como

oxidante es hacer frente a su tendencia natural a la auto extinción. Esta tendencia es el

resultado de la gran cantidad de agua que se forma después de la descomposición, lo

que ralentiza el proceso de combustión (velocidad de combustión) de tal manera que la

combustión tiende a no ser sostenida.

Aunque no es directamente aplicable a la realización de la investigación sobre el

combustible, resulta interesante examinar lo que sucede cuando una muestra del nitrato

amónico se calienta, con el fin de comprender mejor lo que podría durante el desarrollo

del combustible.

Cuando el nitrato amónico puro se calienta a un intervalo de temperatura de 169 °C a

aproximadamente 200 °C, esencialmente no se produce la descomposición. Cuando se

calienta aún más, al rango de 200-250 °C, se produce la siguiente reacción exotérmica (se

libera calor):

NH4NO3 N2 + 2H2O, H = -8,8 kcal/mol

De la ecuación anterior, por cada 100 gramos de nitrato amónico, se producen 45

gramos de H2O, con los 55 gramos restantes pasando a óxido nitroso gaseoso. Esta

reacción es exotérmica, liberándose 110 calorías/gramo.

Simultáneamente a esta reacción, una reacción de disociación se produce

endotérmicamente (se absorbe calor) mediante la cual el nitrato amónico se descompone

en amoníaco y ácido nítrico:

NH4NO3 NH3 + HNO3, H = 44,6 kcal/mol

La combinación de estos dos factores resulta en un estado de equilibrio, un auto

limitado de temperatura, siempre que el proceso de descomposición se lleve a cabo

permitiendo que los productos de reacción gaseosos escapen libremente (en particular

el HNO3). Como tal, si el nitrato amónico se calienta a un ritmo moderado en aire abierto,

sin confinamiento, la temperatura no puede elevarse apreciablemente más allá de su

punto de fusión.

En condiciones de estado estacionario, la disociación endotérmica del nitrato

amónico en NH3 gaseoso y HNO3 absorbe todo el calor disponible de descomposición.

Por lo tanto, cuando se añade calor a un a presión atmosférica e incluso proveniente de

una fuente muy caliente, la temperatura del nitrato amónico está limitada por su propia


Richard Nakka

5

disociación a valores en los que la tasa de descomposición es relativamente moderada.

A presiones elevadas, sin embargo, la reacción de disociación se reprime y la velocidad

de descomposición se acelera. [5]

Cuando el nitrato amónico se calienta muy rápidamente, tal como ocurriría en un

motor de cohete, el proceso de descomposición es notablemente diferente al de la

reacción de descomposición general. Bajo tales condiciones, la descomposición es

principalmente esta reacción de disociación con NH3 y HNO3 como los productos [10].

Se sabe que ciertas sustancias tienen un efecto catalítico sobre la descomposición

del nitrato amónico. Agua, cloruros y cromatos son más las notables. La presencia de

incluso una pequeña cantidad de agua causa que la descomposición comience a 180 ºC.

El amoníaco y sustancias alcalinas tales como la urea tienen un efecto inhibidor sobre la

descomposición.

Los cloruros son particularmente eficaces en la aceleración de la velocidad de

descomposición del nitrato amónico. Cuando es catalizada con 1% de NaCl (sal de mesa),

la tasa de descomposición a 175 ºC es 1000 veces mayor que la de nitrato amónico puro.

Pequeñas cantidades de cloruros (en presencia de ácido libre) pueden causar

descomposición a temperaturas tan bajas como 140 ºC. [5].

Aluminio en polvo añadido al nitrato amónico fundido no es reactivo, pero el zinc en

polvo reacciona violentamente [8].

Cuando se calienta hasta fusión, el nitrato amónico tiende a reaccionar de forma

exotérmica con sustancias orgánicas, que parecen tener un efecto catalizador. Por

ejemplo, con el carbono:

2NH4NO3 + C 2N2 + CO2 + 4H2O, H = -75,2 kcal/mol

Curiosamente, un combustible arma inventado en la década de 1880, el

Ammonpulver, utiliza un 15% de carbón (en gran medida de carbono), combinado con un

85% de nitrato amónico. Esta mezcla se prensó en granos. Aunque resultó difícil de

encender, era mucho más poderosa que la pólvora negra. Dos serios inconvenientes

limitan su sentido práctico - la naturaleza higroscópica del nitrato amónico, y la tendencia

de los granos a romperse debido al cambio de fase cristalina. Este último factor da lugar

a un exceso de presión, y un consecuente daño resultante para el cañón de la pistola. Los


Richard Nakka

6

detalles específicos de los cambios de fase cristalina pura de nitrato amónico se

proporcionan en la Tabla 1.

TABLA 1. FORMAS CRISTALINAS DEL NITRATO AMÓNICO, Y CAMBIOS DE VOLUMEN ASOCIADOS AL

CAMBIO DE VOLUMEN.

Forma Cristal Rango de temperatura

Cambio de volumen

Fase V Tetragonal menor a -18 ºC V --> IV -3.0%

Fase IV Rombo -18 ºC --- 32,3ºC IV --> II +3.6%

Fase III Rombo 32,3ºC---84;2ºC III --> II -1.3%

Fase II Tetragonal 84,2ºC---125,2ºC II --> I +2.1%

Fase I Cúbica 125,2 ºC ---169,6 ºC

Líquido - mayor a 169,6 ºC

Los primeros experimentos realizados por el autor confirmaron que el nitrato amónico

mezclado únicamente con combustible-aglutinantes típicos tales como epoxi, sacarosa,

poliéster, poliuretano y silicona generalmente no mantendrán la combustión. Si se

incorpora una pequeña cantidad de NaCl, obtendremos un quemado sostenido, aunque

muy lentamente (combustión lenta), y la temperatura de combustión baja resultante

tenderá a producir cantidades voluminosas de ceniza rica en carbono.

Un exitoso motor de cohetería amateur basado en el nitrato de amonio es la conocida

fórmula "Wickman", compuesto de PSAN (nitrato amónico de fase estabilizada), polvo de

magnesio, y R-45 polimérico. (composición de CP Technologies):

Propelente Wickman

PSAN: 60%

Mg: 20%

Aglutinante R45HT: 20%

La clave de este propulsor es el uso de una fracción en masa significativa de un

agente "térmico", magnesio. La combustión de magnesio es altamente exotérmica, y

proporciona la energía térmica para conseguir que el agua liberada sea encontrada en

forma de vapor, que luego reacciona con el metal de una manera auto sostenida.


Richard Nakka

7

Las referencias [3] y [4] discuten una serie de formulaciones para combustibles de

cohetes experimentales que utilizan magnesio como un agente térmico eficaz. La

inclusión de silicio elemental, en cantidades del 0,4 a 6,0%, ha sido sugerido como un

potenciador del rendimiento [6].

Los inconvenientes a la utilización de magnesio como constituyente en un

combustible incluyen los problemas de seguridad asociados con el manejo, el alto costo

de este material (especialmente cuando las tarifas de envío de materiales peligrosos se

tienen en cuenta), y la falta de fácil disponibilidad.

Después de mucha reflexión, un agente térmico alternativo bastante interesante salió

a la luz. El aluminio, que tiene un mayor calor de reacción que el magnesio, fue probado

entonces. La dificultad de combustionar de las partículas de aluminio se debe a la cáscara

dura de óxido de aluminio (alúmina) que encierra el metal fácilmente oxidable. Los

primeros intentos de simplemente mezclar el polvo de aluminio con nitrato amónico y un

aglutinante fueron infructuosos. Las partículas de aluminio no se queman de manera

satisfactoria, siendo bien protegidas por la cubierta dura de alúmina. La referencia [4]

también describe intentos de utilizar aluminio en polvo, pero las formulaciones estudiadas

no quemaron.

Experimentos anteriores realizados por el autor en relación con el dopaje de los

propulsores a base de KN habían indicado una dificultad similar en conseguir que el

aluminio combustionara. Finalmente se descubrió que la adición de una cantidad

considerable de azufre ayuda a la combustión de las partículas de aluminio. Esto fue

descubierto inicialmente cuando se investigó la preparación de combustible a base de

caucho de silicona y KN. La adición de un 5-10% de azufre permitió estas preparaciones,

consiguiendo un quemado vigoroso. Se observó un fenómeno similar cuando el

combustible RNX fue dopado con aluminio. Este enfoque se intentó con nitrato amónico,

sin embargo, los resultados no fueron tan exitosos. Sin embargo, se llegó a la conclusión

de que el azufre ayuda a la ignición de las formulaciones experimentales de nitrato

amónico y también puede servir para aumentar la eficiencia de combustión del aluminio.

Varios aditivos y diferentes aglomerantes fueron sopesados en un intento de ayudar

a la reacción del aluminio con nitrato amónico. Inicialmente el poliuretano parecía ser

prometedor, pero la combustión eficiente del aluminio metálico era difícil de alcanzar.

Habiendo investigado docenas de artículos técnicos sobre combustión del nitrato

amónico, se decidió emplear el uso de un donante de cloro, tal como el NaCl en un


Richard Nakka

8

principio, y más tarde el NH4Cl. Los resultados de estos experimentos eran más

prometedores. Más tarde se produjo que el ignitor pyrolant Spitfire, que contiene una

cantidad apreciable de aluminio, quemó vigorosamente de manera excepcional, por

alguna razón. Este pyrolant utiliza cemento de contacto a base de neopreno como

aglutinante. Curiosamente, neopreno es un nombre comercial de DuPont para el poli

cloropreno, que tiene la fórmula química [C4H5Cl]n y que tiene una fracción de masa de

cloro elemental de 39%. Los experimentos que siguieron emplearon cemento de contacto

como aglutinante, produciendo resultados que se consideraron como un gran avance.

Aunque es difícil de iniciar la combustión, una vez encendidas, estas formulaciones de

ensayo quemaron de una manera muy estable con una llama muy caliente y sin la

presencia de chispas blancas, que son indicativas de combustión metálica incompleta. En

el aire abierto, cintas de magnesio (o virutas realizadas por corte de magnesio en el torno

de metal) demostraron ser eficaces para la ignición de estas formulaciones. Una

composición pirotécnica de quemado a alta temperatura, tal como la termita resultó ser

un iniciador de combustión eficaz. Si se enciende con un soplete de propano estándar, las

composiciones simplemente quemaban en una combustión sin llama (los denominados

"combustión del cigarro").

Se encontró muy pronto en esta experimentación que un porcentaje apreciable de

aluminio era esencial. Si no había suficiente aluminio, la formulación resultante no genera

suficiente calor para mantener la combustión eficiente. Típicamente las formulaciones

quemaron ferozmente con un contenido de aluminio en el intervalo de 15 a 25%. Se

encontró que el mínimo contenido de aluminio está alrededor de 10%, dependiendo de

los detalles específicos de formulación.

Aunque el nitrato amónico se considera un oxidante de "baja energía" (calor de

explosión solamente de 300 a 400 calorías / gramo), cuando se utiliza con un agente

térmico tal como el aluminio, el rendimiento teórico puede ser bastante impresionante.

GUIPEP indica un Isp teórico para una composición de /nitrato amónico / Al / neopreno/

en el rango de 220-250 segundos a una presión de cámara de 1,000 psi. La figura 1

muestra extractos de resultados de una ejecución GUIPEP para una composición típica

de "alto contenido de aluminio", basada en nitrato amónico, aluminio y neopreno

(cloropreno).


Richard Nakka

9

FIGURA 1. OUTPUT DE GUIPEP PARA LA FORMULACIÓN DEL A20.

3. Seguridad del nitrato de amonio como oxidante de propelente

Tal y como se explica en la sección anterior, de la investigación del autor se deduce

que el nitrato de amonio no plantea problemas de seguridad en calidad de elemento

constitutivo del propelente del cohete. En este sentido, es muy similar a otro oxidante

comúnmente empleado por amateurs, el nitrato de potasio (KNO3). Como se ha señalado

anteriormente, el nitrato de amonio es químicamente estable a temperatura ambiente, no

se quema por sí mismo y tiene muy baja sensibilidad a la fricción y al choque. A su vez, el

nitrato de amonio no es tóxico. Existe una característica particular del nitrato de amonio,

sin embargo, que lo diferencia de otros oxidantes como el nitrato potásico. El nitrato de

amonio es conocido por ser capaz de detonar bajo las condiciones adecuadas. Como tal,

la investigación acerca del uso seguro del nitrato de amonio no sería completa sin tener

en cuenta esta característica. Como mejor se describe la detonación es como una

descomposición casi instantánea (generalmente se mide en microsegundos) de la masa

de un material. La propagación de la descomposición se produce mediante una onda de

choque con el nivel de energía suficiente. Dado que la detonación es algo que debe

evitarse debido a su naturaleza destructiva, es necesario determinar si ésta pudiera ser un

factor a tener en cuenta. Esto es relevante ya que una forma especial de nitrato de amonio

se utiliza en tareas de voladura debido a su gran capacidad detonante. El ANFO (siglas en


Richard Nakka

10

inglés para Ammonium Nitrate - Fuel Oil) y el amonal (nitrato de amonio con polvo de

aluminio) son dos ejemplos. Cabe señalar que el nitrato de amonio se usa comúnmente

como agente explosivo ya que es muy barato, fácilmente disponible y seguro de manejar

y transportar, requiriendo una potente carga de inicio para explotar.

Es crucial que la densidad aparente del nitrato de amonio sea baja para que éste

detone. Es necesario que el material reactivo sea poroso. De esta manera, existen

diminutas burbujas de aire dentro del material y, debido a una compresión adiabática

causada por la onda de choque, dichas burbujas se calientan a varios miles de grados

Celsius. Esto genera un frente de reacción que proporciona energía para propagar una

onda de detonación. La falta de huecos suficientes (densidad aparente > 1 g/cm3),

llamado "dead-packing" (literalmente, envasado muerto), imposibilita la detonación [8].

La sensibilidad a la detonación depende de varios factores, siendo la densidad

aparente especialmente importante para un material de baja energía como es el nitrato

de amonio. Sin la presencia de huecos (bolsas de aire), la detonación no es posible [8].

Otro criterio importante para la detonación del nitrato de amonio es el aislamiento

pesado [8].

Aunque no es directamente aplicable en este caso, la forma fundida del nitrato de

amonio puede soportar un considerable choque hidrodinámico sin detonar cuando no es

aireado por burbujas [9]. En el intervalo de temperatura de 169oC to 190oC, en el cual la

velocidad de descomposición térmica es insignificante, el nitrato de amonio es

virtualmente imposible de detonar [9].

La referencia [8] describe ensayos de mezclas de nitrato de amonio, carbono y

aluminio: cuando se encendió en aislamiento se produjo deflagración, pero no detonó.

El perclorato de amonio, un oxidante de uso común para cohetes profesionales, es

significativamente más sensible a la detonación que el nitrato de amonio. El perclorato de

amonio también se utiliza para motores comerciales de cohetes de alta potencia y es

utilizado en motores experimentales por muchos aficionados a la cohetería amateur. La

referencia [7] proporciona un diámetro crítico1 mínimo de ¼ de pulgada para el perclorato

de amonio. Esto se compara con un diámetro crítico de varias pulgadas de nitrato de

1 El diámetro crítico es una medida de la sensibilidad a la detonación y se refiere al diámetro

mínimo de una masa de explosivo que puede ser detonada sin ser aislada pesadamente. Un diámetro crítico más grande que una pulgada se considera generalmente insensible.


Richard Nakka

11

amonio en forma de gránulos de baja densidad (la forma más sensible). Una serie de

propelentes de perclorato de amonio con fórmulas similares a las aquí discutidas (por

ejemplo, aquellas con un contenido de aluminio apreciable) se han probado en ambientes

seguros para disipar las preocupaciones acerca de una posible detonación, tanto por la

comunidad de los aficionados a los cohetes de alta potencia como por la de los cohetes

experimentales durante muchos años. Curiosamente, los impulsores del Space Shuttle

utilizan un propelente a base de perclorato de amonio aluminizado (Tabla 1) no muy

distinto a muchas de las fórmulas de nitrato de amonio y aluminio objetos de este estudio:

con la excepción del oxidante, siendo el perclorato de amonio más sensible que el nitrato

de amonio.

Propelente de los impulsores del Space Shuttle

Perclorato de amonio: 69.9%

Poli butadieno: 12.04%

Agente de curado a base de epoxi: 1.96%

Polvo de aluminio: 16%

Óxido de hierro rojo: 0.07%

Esta fórmula se asemeja bastante a la de, por ejemplo, el A24 (un propelente

compuesto estudiado por Richard Nakka a base de nitrato de amonio, aluminio y

neopreno).

Propelente A24

Nitrato de amonio: 68%

Neopreno: 11%

Polvo de aluminio: 17%

Sulfuro: 4%

Siguiendo el razonamiento anterior, se considera que el potencial para la detonación

no es un factor determinante cuando el nitrato de amonio se emplea como oxidante en

propelentes para motores de cohetes sólidos, tal y como se describe en los experimentos

llevados a cabo en esta investigación.

Otra posible preocupación que se ha tratado se refiere a la seguridad al comprimir

fórmulas de nitrato de amonio bajo presión hidráulica. Esta técnica se utiliza para formar

las pastillas de propelente para pruebas de motor. La referencia [3] describe la fabricación

de pastillas utilizadas en la investigación de la velocidad de combustión de mezclas de


Richard Nakka

12

nitrato de amonio y TNT cuando se comprime el polvo resultante de la mezcla a una

presión de 0.2 GPa (29000 psi).

4. Fórmulas experimentales de nitrato de amonio y aluminio

Hasta la fecha, 33 fórmulas diferentes se han experimentado con varios grados de

diligencia. En casos menos rigurosos, se preparó un pequeño lote de muestra de una

fórmula dada y se quemó al aire libre para evaluar cualitativamente sus características de

combustión. Si esto sugería un comportamiento de combustión insatisfactorio, no se

realizaba ninguna experimentación adicional. Para las fórmulas más prometedoras, se

produjeron pastillas de propelente que se probaron en motores de cohete. Asimismo,

para dichas fórmulas también se obtuvieron curvas de la presión de cámara y del empuje

de encendidas estáticas con el fin de evaluar los parámetros clave tales como el impulso

específico y la velocidad característica.

Las primeras fórmulas empleaban poliuretano o epoxi como aglutinante. Ambos

probaron ser muy insatisfactorios por varias razones. Fórmulas posteriores empleaban

neopreno como aglutinante, el cual resultó ser adecuado. Una lista completa de las 33

fórmulas, incluyendo detalles pertinentes se proporciona en la Tabla 2.

TABLA 2. LISTA DETALLADA DE LAS FORMULAS “A”.

Fecha: mes/a

ño

Porcentajes de la fórmula

Etiqueta

AN Azufre

Aluminio

Carbón

NaCl

Aglutinante

Aglutinante

Notas Notas libreta de combustión

A1 65 8 6 2 2 17 Poliuretano 2,7 Quemado frío. Destellos ocasionales indican la combustión

de aluminio.

A2 63 8 9 1 2 17 Poliuretano 2,7

06-abr A3 59 8 12 1 2 18 Poliuretano 2,7 Quemado frio. Chisporroteo

ocasional.

06-abr A4 59 8 12 1 20 Poliuretano 2,7


Richard Nakka

13

06-abr A5 55 10 12 2 2 19 Poliuretano 2,7 Quemado frio. Chisporroteo

ocasional.


06-abr A7 45 14 22 3 1 15 Poliuretano 2,7 Buena encendida, quema bien, mucho

calor.

06-abr A8 44 14 21 1 2 18 Poliuretano 2,7

06-abr A9 41 15 24 2 18 Poliuretano 2,7 Buena encendida, quema

extremadamente caliente en el frente

de llama, gases naranjas, poco ruido o humo, velocidad de

combustión decente.


06-abr A11 49 14 22 0,5 0,5 14 Poliuretano 2,7

06-abr A12 43 14 22 2 1 17,5 Epoxi 3,4,6

06-abr A13 44 14 21 1 19 Poliuretano 2,5,6,7

06-abr A14 41 15 24 2 18 CC 8,9,16 Enciende pronto y quema

vigorosamente. Llama muy brillante y

estable

06-abr A15 48 14 20 18 CC 8, 10 Quema similar al A14 pero aparentemente

más rápido.

11-may A16 41 15 24 20 CC 8,11

03-may

A17 55 24 21 CC 8 Difícil de encender, pero quema bien, llama caliente y

brillante.

05-may

A18 67 25 8 Neopreno 8


Richard Nakka

14

05-may

A19 58 25 17 Neopreno/Epoxi

12 Difícil de encender, pero arde bien.

05-may

A20 64 3 25 8 Neopreno 13,15,16,17,18

Bastante difícil de encender, quema

muy bien y bastante rápido.

05-may

A21 58 24 18 Neopreno/Poliuretano

14 Difícil de encender. Apenas quema con una llama naranja

brillante.

05-may

A22 54 3 25 18 Neopreno/Poliuretano

14

06-may

A23 67 3 20 10 Neopreno 17,18

05-jul A24 68 4 17 11 Neopreno 17, 20 Ignición inconsistente (fácil o bastante difícil). Quema

intensamente con un residuo blanco

crujiente.

05-jul A25 70 4 15 11 Neopreno

07-jul A26 67 20 10 Neopreno 17,19,20

Enciende fácilmente. Quema muy bien sin chispas de aluminio.

07-jul A27 74 5 11 10 Neopreno Más difícil de encender, pero

quema muy bien.

07-jul A28 78 5 7 10 Neopreno Ignición fallida. Arde.

11-jul A29 75 4 12 9 Neopreno 20

11-jul A30 68 5 17 10 Neopreno

11-jul A31 70 18 12 Neopreno

11-jul A32 71 18 11 Neopreno 17, 20


Richard Nakka

15

11-jul A33 68,5

17,5 14 Neopreno Difícil de encender (tiende a arder), pero

quema bien.

Notas

[1] Todas las muestras fueron encendidas al aire libre y empleando virutas de

magnesio.

[2] La A1-A9 se dejó secar durante toda la noche a 30 grados Celsius, después fue

introducida en el horno a 65 grados durante media hora. Mostraba roturas o bultos.

[3] + 0.5 MgSO4

[4] East Systems, proporción 5 a 1.

[5] + 1.0 KCl

[6] Pastillas producidas para motores. Ambos fallaron.

[7] El poliuretano era de la calidad de un adhesivo, a una parte tuvo que secársele la

humedad.

[8] Cemento de contacto LePages TiteBond (21-26% de neopreno).

[9] 8 pastillas producidas para motores. Uno se encendió con una quema poderosa

pero inestable. Dos quemaron bien. El 2 produjo un CATO.

[10] 2 pastillas producidas para motores. Una produjo un CATO y la otra quemó bien.

[11] 2 pastillas producidas para motores. Ambos CATO.

[12] 7% de neopreno y 10% de epoxi.

[13] Velocidad de combustión de una hebra medida: 0.84 mm/s.

[14] 7% de neopreno y 11% de poliuretano.

[15] Velocidad de combustión de una hebra medida: 3.93 mm/s; 2.08 mm/s.

[16] Muestra quemada en un calorímetro: 7.07 kJ/g (ambas).

[17] Pastillas producidas para motores mediante apisonamiento hidráulico.


Richard Nakka

16

[18] Resultados de la encendida estática:

a. A20-A1 se encendió bien y se obtuvieron los datos para elaborar una curva de

presión.

b. A20-A3 no encendió.

c. A23-A4 encendió bien y se obtuvieron los datos para elaborar una curva de

presión.

d. A23-A5 no encendió.

e. A23-A6 encendió bien y se obtuvieron los datos para elaborar una curva de

presión.

[19] +3% de cloruro amónico.

[20] Resultados de encendida estática de pastillas producidas para motor:

a. A26-A1: el motor se encendió, autoextinguiéndose poco después.

b. A26-A2: parecido al A26-A1.

c. A24-A2: parecido al A26-A1.

d. A24-A3: se encendió rápido, se produjo un pico y luego produjo un empuje

intenso. No se elaboró una curva de presión debido al bloqueo.

e. A24-A4: Parecido al A26-A1.

f. A29-A1: Parecido al A26-A1.

g. A24-AB1: Se encendió bien. Curvas de presión y empuje obtenidas.

h. A32-B1: Encendida lenta, muchas chispas. Curvas de presión y empuje

obtenidas.

CC: cemento de contacto.

PU: Poliuretano

Neo: Neopreno

Desde un punto de vista práctico, el uso de neopreno como aglutinante plantea un

desafío. A diferencia del epoxi, que es un sistema de dos componentes que aglutina sin

necesidad de disolventes, el neopreno no está disponible como un sistema de dos partes.

El neopreno utilizado en todas las fórmulas investigadas fue producido a partir de

cemento de contacto de venta al pequeño consumidor. La ficha de datos de seguridad

para el cemento de contacto utilizado para estos experimentos (LePage Pres-Tite) sólo

indica los ingredientes peligrosos para la salud:


Richard Nakka

17

PELIGRO

Aguarrás, alifático ligero, 30-60

Óxido de magnesio, 1-5

2-Butanona, 10-30

Tolueno, 10-30

El neopreno no se considera peligroso por los estándares de la OSHA (siglas en inglés

para Occupational Safety and Health Administration) y por lo tanto no se indica en la ficha

de datos de seguridad.

Basándose en esta bastante amplia gama de ingredientes cuyos porcentajes han sido

listados, el contenido de neopreno se encuentra en un generoso rango de entre 0% y 49%.

Para obtener un valor más útil, las mediciones reales fueron tomadas pesando una

muestra de cemento de contacto, permitiendo que los disolventes volátiles se

evaporaran, y a continuación, se volvió a pesar la muestra. Para un contenedor fresco, se

encontró que el contenido era del 21%. En contenedores parcialmente agotados se halló

un mayor contenido de neopreno hasta un porcentaje máximo del 25% medido para una

lata casi vacía. Esto era de esperar, ya que el disolvente es muy volátil y se pierde con el

tiempo, especialmente después de repetidas aperturas del contenedor. Este análisis en

particular desprecia la presencia de cualquier otra sustancia no volátil, tal como el óxido

de magnesio, pero proporciona un valor suficientemente preciso para la experimentación

llevada a cabo.

Todo el nitrato de potasio empleado en esta serie de experimentos fue en forma de

gránulos comprados al por menor en forma de "paquetes fríos instantáneos". El producto

era de color blanco puro y no tenía ningún signo visible de impurezas. Curiosamente, el

coste de del nitrato de amonio fue bastante bajo. Cada paquete frío solía contener dos

bolsas (una de nitrato de amonio y otra de agua, en bolsas separadas) haciendo un total

de 250 gramos, por un coste de $ 1-2 CAD (= $ 1-2 USD) por paquete (dependiendo en qué

tienda se compró).

El polvo de aluminio empleado para todos los experimentos se atomizó hasta

conseguir un grado de pigmento. Fue comprado a West System 420 a un coste de 20

dólares por libra. Las escamas de aluminio obtenidas de la "pintura de aluminio" son otra

fuente potencial de aluminio. La pintura de aluminio de calidad comercial contiene, en

términos de masa, entre 20% y 25% de aluminio metálico.


Richard Nakka

18

4. Preparación de pastillas experimentales

Los primeros intentos en producir pastillas para pruebas involucraron el uso de una

mínima cantidad de cemento como aglutinante (binder). Se mezclaban todos los

ingredientes bien, y se comprimía la mezcla, similar a la textura de la masilla, en un molde

de cartón, donde se dejaban secar a una temperatura moderadamente elevada. Debido

a que un porcentaje considerable del cemento de contacto son solventes volátiles, la

pastilla resultante quedaba inevitablemente con pequeños poros. Esto suponía una

desventaja potencial, pero dicha técnica se consideró viable por lo menos para pruebas

iniciales. Ya que las formulaciones de AN/Al son difíciles de encender, se vio que, aunque

los gases de combustión ardientes se filtraran a través de los pequeños poros, el material

no se encendía. Aún su difícil ignición, combinado con una combustión errática, no

obstante, los resultados fueron alentadores. El método fue dejado en desuso en poco

tiempo debido al largo tiempo que se debía dejar la pastilla secar. Se encontró que

(pesando regularmente) se requerían semanas para conseguir una pastilla libre de

solventes.

Después de reflexionar sobre diferentes maneras de quitar el solvente en una manera

eficiente, se encontró que la manera más efectiva era expulsar los solventes previamente

a hacer la pastilla. Una vez completamente seco, que solo tardaría unas horas si se

calienta moderadamente, se halló que, rompiendo el material seco en pequeños

gránulos, y después comprimiéndolos, una pastilla sorprendentemente robusta resultó.

Este método básico se ha utilizado para la preparación de todas las pastillas

subsecuentes. Un proceso típico se describe a continuación.

El AN tal y como se haya obtenido (comprimido a gránulos) primero se calienta en un

horno precalentado a 65-95ºC durante 2 o más horas. El AN luego es molido a un polvo

muy fino utilizando un molinillo de café eléctrico (típicamente durante 40-50s por cada

50g). El AN seco, azufre y aluminio se pesan y se ponen juntos en un Tupperware de

plástico. Es una práctica convencional que se evite combinar nitratos y polvo de aluminio

entre la comunidad pirotécnica. Por mi propia experiencia, por eso, AN seco y Al no tienen

tendencia a reaccionar (por ejemplo, ningún olor a amonio fue detectado nunca). No

obstante, precauciones fueron tomadas para asegurar la seguridad del proceso, como

preparar pequeños lotes y minimizando el tiempo de almacenamiento. Posiblemente

para mayores lotes, el polvo de aluminio se podría mezclar con el contacto de cemento

líquido en vez de con el AN. La adición de una pequeña cantidad de ácido bórico en la


Richard Nakka

19

mezcla pulverizada también eliminaría la posibilidad de la formación de amidas

peligrosas. Desde una perspectiva práctica, considerando la dificultad de la ignición de

estas formulaciones de AN, se cree que hay muy bajas posibilidades de un peligro real

de una combustión espontánea.

Para mejorar la mezcla de AN y aluminio, una docena o más de bolas deformadas de

vidrio de acuario fueron añadidas en un molino de rotación. Se deja mezclar 2 o más horas,

dependiendo del tamaño del bote.

La masa requerida del cemento de contacto es pesada en un bol desechable de

polietileno. Para un pote nuevo de cemento de contacto, que tiene una fracción másica

de 0.21, la cantidad de cemento de contacto se puede obtener multiplicando la cantidad

requerida de neopreno por la fracción másica:

Masa de cemento de contacto = masa neopreno requerida * 1/0,21

La mezcla pulverizada es añadida, de poco en poco, al cemento de contacto. La

mezcla resultante es esparcida en una bandeja de horno forrada con papel de pergamino

para su secado. El solvente se deja secar a una temperatura moderadamente elevada

durante por lo menos 24 horas. El resultado es un producto algo flexible que se puede

romper en pequeños trozos. Una muestra de este material se quema típicamente para

evaluar cualitativamente su combustión. Para su ignición, una tira de magnesio o un

pequeño grupo de virutas de magnesio es usado.

El siguiente paso es moler los pequeños trozos a granos bastos. Se consigue

utilizando un molino de café eléctrico y un tamiz para tamizar las piezas grandes que no

han sido molidas para volverlas a moler.

Los gránulos son entonces almacenados en un contenedor cerrado o en una bolsa

de polietileno junto a un desecante como cloruro de calcio contenido entre algodón.

Las pastillas se hacen entonces utilizando una prensa hidráulica y moldes adecuados.

Para un motor que tiene la pastilla incrustada, el molde es el mismo casing (o cámara de

combustión). Por unas razones, se considera que incrustar la pastilla era una práctica

aceptable. Las pruebas indican que el módulo elástico de la pastilla era suficientemente

bajo, y que la tensión de rotura era suficientemente alta, que dando un esfuerzo a la

pastilla sería aceptable para las pastillas con un pequeño diámetro (<32mm). El

combustible se haría o bien comprimiendo hidráulicamente directamente en el motor


Richard Nakka

20

casing después de añadir los gránulos, o bien los gránulos serían comprimidos

hidráulicamente en un molde, extraídos, y después comprimidos en el motor casing.

La masa de gránulos requerida sería pesada. Utilizando una cuchara, una cucharada

de gránulos son insertados al molde. Los gránulos son compactados un poco utilizando

una pieza cilíndrica y golpeándolo suavemente con un martillo pesado. Estos pasos se

repiten hasta llenar el molde de gránulos. La prensa hidráulica se utiliza a continuación

para comprimirla a alta presión. La cantidad de fuerza se determina a prueba y error hasta

que se llega a un 95-98% de la densidad teórica de dicha formulación. La densidad que

se consigue es determinada pesando el molde antes y después de cargarlo para obtener

la masa de la pastilla, que es dividida entre el volumen que ocupa.

La pastilla producida por la prensa hidráulica se halla que tienen una tensión de rotura

apreciable. Hasta el día de hoy, ninguna medida de la tensión de rotura se ha llevado a

cabo, aunque las pruebas indican que una pastilla bien comprimida resulta tener una gran

resistencia a la ruptura. Se cree que la propiedad asociada con la adhesión del cemento

de contacto juega un rol importante. El cemento de contacto normalmente se utiliza

aplicando una capa del cemento a dos superficies para unirlas. Se dejan secar y cuando

las superficies se comprimen, ocurre una adhesión instantánea. Un mecanismo similar se

cree que ocurre cuando el combustible que contiene neopreno es comprimido. La

tensión de rotura del neopreno es alta, del orden de 1000 lb/sq.in.

FIGURA 2. PASTILLAS DE LA FÓRMULA A20.

5. Pruebas estáticas

Un número de pruebas estáticas se han llevado a cabo con las formulaciones más

prometedoras. Las primeras dos pastillas fueron producidas con las formulaciones A12 y

A13. Motores desechables de PVC fueron construidos para cada uno. Las dos pastillas

tenían un core cilíndrico con 4 ranuras radiales. Los posteriores tenían una configuración


Richard Nakka

21

de “8-slotted pseudo-finocyl”. El propósito era para tener mayor área de combustión y

facilitar la ignición. Una prueba estática se llevó a cabo en junio de 2004, aunque los dos

motores no se encendieron. Los ignitores estaban cargados de 2g de termita de

aluminio/óxido férrico con un iniciador Spitfire.

La siguiente formulación que fue utilizada fue la A14, que fue probada en noviembre

de 2004. Se fabricaron ocho motores desechables de PVC. De estos, 5 se encendieron y

de estos 3 funcionaron de una manera prometedora. No se tomaron medidas. Los

motores anteriores utilizaban toberas de cemento hidráulico. Sufrían de una gran erosión

y se sustituyeron por grafito. Motores posteriores utilizaron un método sin fijaciones para

retener las clausuras calentando el PVC.

FIGURA 3. ENCENDIDA ESTÁTICA DE UN A14-A1, MAYO DE 2005. MOTOR DE UN SOLO USO

DE PVC CON UNA TOBERA DE CEMENTO HIDRÁULICO.

Formulaciones de A15 y A16 también fueron probadas en motores PVC. De estas

formulaciones, dos pastillas fueron producidas. 3 explotaron y una funcionó. No se

tomaron medidas.


Richard Nakka

22

FIGURA 4. MOTORES DE PVC (IZQUIERDA) Y MOTORES DE ALUMINIO (DERECHA) EMPLEADOS EN

UN TEST DE IGNICIÓN DE FÓRMULAS DE NITRATO DE AMONIO. LOS MOTORES DE ALUMINIO DE 25

MM DE DIÁMETRO SE USARON CON CIERTAS FÓRMULAS EMPEZANDO POR EL A20.

El método de fabricación de pastillas fue modificado a partir de las A20. En vez de

utilizar un aglutinante “mojado”, las pastillas eran “secas” fabricadas con la compresión

hidráulica. Estos motores también eran diferentes, utilizando casings de aluminio de

25mm de grosor y toberas de grafito. Los resultados de las pruebas fueron más exitosos.

Las formulaciones que fueron exitosas con un buen rendimiento fueron A20, A23 y A24.

Se intentaron dos veces pastillas sin azufre de A26. En ambos casos, se encendió, pero se

apagó él mismo después de poco tiempo. Un resultado similar ocurrió con una

formulación de poco aluminio (12%), la A29. Otra formulación sin azufre, A32, se encendió

correctamente.


Richard Nakka

23

FIGURA 5. CURVAS DE PRESIÓN DE CÁMARA DE LOS TEST DE IGNICIÓN DE JULIO DE 2007.

Pruebas estáticas de mayor motor (38mm) con pastillas incrustadas fueron llevadas

a cabo en mayo de 2008, donde se tomaron medidas de presión y thrust. Se probaron la

formulación más prometedora, A24, y la libre de azufre, A32. La combustión del A32 fue

mediocre, produciendo muchas chispas blancas, indicativo de una combustión

incompleta. Se vio reflejado en un Is mucho menor (145s) comparado con el A24, que dio

196s. Se erosionó la tobera de grafito en ambos casos. El diámetro de la garganta del A24-

B1 pasó de 5.9mm a 6.2mm, un incremento del 5%. El del A32-B1, de 5.9mm a 7.5mm, un

incremento del 27%. El efecto de la erosión se ve afectado en los gráficos de rendimiento:

la presión decae mientras el empuje aumenta.

El A24-B1 sufrió quemaduras del casing cerca de la tobera después de 1.4s. Una

examinación posterior a la prueba indicó que fue debido a que las pastillas (4 en total)

tenían distintas densidades, y la más cercana a la tobera quemó primero. Las densidades

relativas eran (de la punta hasta la tobera) 0,98; 0,95; 0,95; 0,92. Cuando quemó la pastilla

cercana a la tobera, una bajada de presión causó que las pastillas que quedaban se auto-

apagaran.

FIGURA 6. ENSAMBLAJES DE TOBERAS Y TAPAS PARA UN MOTOR DE 38 MM: IGNICIONES

ESTÁTICAS DE A24-B1 Y A32-B1.


Richard Nakka

24

FIGURA 7. CURVAS DE PRESIÓN DE CÁMARA DEL TEST DE IGNICIÓN DE MAYO DE 2008.

FIGURA 8. IGNICIONES DE MOTORES A24-A3 (NOVIEMBRE DE 2007) Y A24-B1 (MAYO DE

2008).


Richard Nakka

25

FIGURA 9. RESTOS DE UN SEGMENTO DE PASTILLA DESPUÉS DE AUTO EXTINGUIRSE

(IZQUIERDA). UN MOTOR A24-B1 SECCIONADO CON RESTOS DE PASTILLAS.

Pruebas estáticas Nov 2008

Tres motores A24-B, similares a los probados el mayo de 2008, fueron fabricados con

el objetivo de caracterizar la formulación A24. De interés particular fue la variación de la

velocidad de combustión con la presión de cámara. La formulación A24 parecía la más

prometedora entre las formulaciones anteriores basado en las pruebas estáticas. Un total

de 12 pastillas fueron hechas utilizando una prensa de 20 toneladas. El resultado fueron

pastillas de unos 50g con una densidad relativa del 97-99% de la ideal. Cada motor tiene

cuatro segmentos unidos entre ellos con silicona. Las dos puntas de la pastilla única

fueron inhibidas y selladas a las paredes de la cámara de combustión. De esta manera, el

área de combustión se restringía al centro, resultando en un Kn progresivo. Estos 3

motores fueron designados como se muestra en la Tabla 3. Todos los 3 motores fueron

encendidos con termina Cuo/Mg contenida en una bolsa de polietileno, iniciado

eléctricamente con un cable de nicromo.

TABLA 3. PARÁMETROS DE MOTOR PARA TRES DE LOS TESTS DEL 22 DE NOVIEMBRE.

Designación Propelente Masa de propelente (g)

Ratio de densidad medio

Rango de Kn [1]

A24-B2 A24 196.4 0.980 247-454

A24-B3 A24 191.5 0.978 361-661

A24-B4 A24 193.9 0.980 468-857

[1] Basado en el tamaño inicial de la gola.

Las pruebas estáticas fueron llevadas a cabo el 23 de nov de 2008. El A24-B2 tardó

en encenderse, a pesar que la termita se encendiera bien. A24-B3 fue completamente


Richard Nakka

26

nominal. El tercero, con el mayor Kn, sufrió una quemadura a través de la cámara de

aluminio hacia el final de la combustión, pero por lo demás fue bien. Datos del empuje y

presión se recolectaron en la Tabla 4:

TABLA 4. DATOS DE RENDIMIENTO DEL MOTOR DE LOS TRES LANZAMIENTOS DEL 22 DE

NOVIEMBRE.

Nombre del test

Fecha

Impulso

total

Impulso

específico

c* c*/c*ideal

Coeficiente de

empuje

Ratio de expansi

ón

Diámetro de la

gola

(N*s) (s) (m/

s) medio Inicial/Fi

nal Inicial/Final (mm)

A24-B2

Nov.23,

2008 329 171 1226 .90 1.37 4.6/ 4.2

7.19/ 7.52

A24-B3

Nov.23,

2008 398 212 138

7 1.00 1.49 7.0/ 5.9 5.97/ 6.50

A24-B4

Nov.23,

2008 315* 207 136

2 .99 1.49 7.9/ 7.2 5.21/ 5.44

FIGURA 10. PASTILLAS DE PROPELENTE A24 PARA TESTS ESTÁTICOS. IGNICIÓN DEL MOTOR

A24-B3.

Los números de rendimiento del A24-B2, en términos de Is y c*, fueron relativamente

bajos comparados con los otros dos. La razón por esto se ve claro al ver el vídeo (abajo).

El comienzo fue muy lento, es más, el ignitor casi ni encendió la pastilla. El bajo Kn sin


Richard Nakka

27

duda contribuyó a dificultar la encendida. Por eso, una gran cantidad de combustible se

gastó al comienzo cuando el motor estaba aún generando mayor presión.

A24-B3 y A24-B4 cogieron presión rápidamente. La combustión fue siempre estable

e impresionante. Debido a la quemadura a través de la cámara al final de la combustión

del B4, algo de Is potencial se perdió. Cuando el motor fue abierto después de la

combustión, 38,5g de combustible se halló sin quemar. El valor del Is y c* que se muestra

está basado en la cantidad real de combustible quemado.

Se puede ver que de la Tabla 4 que la ratio de c* entregado e ideal es particularmente

alta. Es poco posible que esto represente el rendimiento real. El valor real de c*, que fue

determinado por GUIPEP, utiliza una aproximación del neopreno utilizando el cloropreno.

6. Caracterizando el combustible A24

Basado en el éxito de las pruebas estáticas de la formulación A24, esta composición

se puede considerar un combustible de cohete viable. De este modo, se le llamará

“combustible” en vez de “formulación” a partir de ahora. Los resultados de las últimas

pruebas estáticas, en particular la A24-B3, permitió que se pudiera caracterizar el

combustible. La velocidad de quemada en función de la presión de cámara fue

determinada con el método descrito en la página de “Burn Rate Determination from a

Pressure-time Trace”.

Figura 11 – Resultados de análisis de quemada


Richard Nakka

28

En la figura, la línea discontinua representa el mejor ajuste de una curva del estilo

r=aPn. En esta ecuación, r es la velocidad de combustión, a el coeficiente de presión, y n

el exponente de presión. Se puede ver que esta curva es lejana de tener un ajuste

perfecto, no obstante, sí que sigue la curva del análisis bastante bien durante la mayor

parte del rango. El método del análisis asume que la pastilla quema (radialmente hacia

fuera del grosor de la pastilla) de una manera completamente uniforme. Es más, la curva

de presión medida muestra que, durante el “tail-off” (final de combustión), la presión

tiende a mantenerse constante en vez de caer. Esto indica que la pastilla no quemó de

manera uniforme. Para nuestro caso, los valores de a y n se considerarán suficientemente

precisos. Fue confirmado al poner dichos valores en SRM.XLS con las propiedades

mostradas en Tabla 5 y 6.

Parametro MPa, mm/sec PSI, inch/sec a 1.71 0.00387 n 0.574 0.574

Tabla 5

Parameter units value reference mass density, ideal gram/cc 1.765 calculated ratio of specific heat, 2-phase - 1.05 estimated ratio of specific heats, mixture - 1.166 GUIPEP effective molecular wt, products kg/kmol 28.8 GUIPEP combustion temperature K. 2688 GUIPEP combustion efficiency - 0.99 static test nozzle efficiency - 0.92 estimated

Tabla 6. Parámetros utilizados en SRM.XLS.


Richard Nakka

29

Figura 12. Comparación de la presión real y las predicciones de SRM.

7. Motor J ANCP

Después del éxito de las pruebas de los motores A24-B, y su posterior caracterización

del combustible, se decidió construir y probar un motor bastante mayor. El objetivo del

diseño era producir un motor J que podría ser utilizado para lanzar un cohete

posteriormente. Esencialmente, el motor A24-C es una versión grande del A24-B con la

capacidad de 500g de combustible. El motor es de 51mm de diámetro, comparado con

los 38mm de las series B. El impulso de diseño se eligió que fueran 1000Ns. El motor fue

diseñado, construido y probado exitosamente en 2010. A pesar de tener un ignitor

demasiado pequeño, que redujo la eficiencia del motor, el resultado fue impresionante.


Richard Nakka

30

Referencias

[1] A Review of the Global Fertilizer Use by Product, by K.G. Soh , International Fertilizer

Industry Association, Paris

[2] Nitric Acid and Fertilizer Nitrates, edited by Cornelius Keleti, Marcel Dekker Inc.

(Ch.11, Properties of Ammonium Nitrate, K.D.Shah and A.G. Roberts, Imperial

Chemical Industries PLC, England)

[3] Combustion of Ammonium Nitrate-Based Compositions, Metal-Containing and

Water-Impregnated Compounds, B.N. Kondrikov, V.E.Annikov & V.Yu. Egorshev,

Journal of Propulsion and Power, Vol.15, No.6. Nov-Dec. 1999

[4] U.S. Patent 5,076,868 "High Performance, Low Cost Solid Propellant Compositions

Producing Halogen-free Exhaust", Dec.31, 1991.

[5] Ammonium Nitrate Decomposition by Heat, A Literature Review, Donald R.

Thomas, August 3, 1995.

[6] U.S. Patent 5,500,061 "Silicon as high performance fuel additive for Ammonium

Nitrate Propellant formulations, March, 1994/1996.

[7] Hazards of Chemical Rockets and Propellant Handbook, CPIA Publication No.194

(1972)

[8] Shock Initiation Characteristics of Ammonium Nitrate, A.King, A.Bauer, The

Department of Mining Engineering, Queen's University, Kingston, Ontario, 1980.

[9] Critical Shock Initiation Parameters for Molten Ammonium Nitrate, A.King, A.Bauer,

The Department of Mining Engineering, Queen's University, Kingston, Ontario, 1979.

[10] The Gasification of Solid Ammonium Nitrate, W.H.Andersen, K.W.Bills,

A.O.Dekker,E.Mishuck, G.Moe & R.D.Schultz, Jet Propulsion Journal, Dec.1958.

Experimentos con nitrato de amonio - nakka- · PDF fileexperimentos incluyen el desarrollo de...

Documents

Transcript of Experimentos con nitrato de amonio - nakka- · PDF fileexperimentos incluyen el desarrollo de...